PV-LICHTBÖGEN SICHER ERKENNEN

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1 PV-LICHTBÖGEN SICHER ERKENNEN Weiterentwicklung der Produktstandards auf UL- und IEC-Ebene Felix Eger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE PV-Symposium 2018 Bad Staffelstein,

2 Agenda Grundlagen Bestehende Prüfnormen Weiterentwicklung der Prüfverfahren Zwischenfazit & Ausblick Performance-Tests verschiedener Lichtbogendetektoren 2

3 Grundlagen Eigenschaften von Lichtbögen I Auslöser z.b. gelöste Schraub- oder Steckverbinder, defekte Isolierung, kalte Lötstelle etc. Temperaturen bis zu K, Brandgefahr Hochfrequente Spannungsänderung erzeugt 1/f-Rauschen (pink noise) PV-Generator Impedanz Z Messbar als impedanzabhängiges Stromrauschen I LB (f) = U LB (f) / Z(f) 3 f

4 Grundlagen Eigenschaften von Lichtbögen II U LB U PV U WR Spannungsabfall über Lichtbogen erzeugt Arbeitspunktänderung im System Stromsprung am Wechselrichter* Lichtbogendetektoren (LBD) nutzen Stromsprung und/oder Rauschen zur Fehlererkennung * abhängig von MPP-Tracking 4 I I MPP I LB U LB U MPP U U MPP 0.8*U OC U LB,min 15 V

5 Bestehende Prüfnormen für Lichtbogendetektoren Übersicht USA: Vorschrift zur Installation eines Lichtbogendetektors (LBD) in neu installierten PV-Anlagen seit 2011 PV-Freiflächenanlagen können seit 2017 ausgenommen werden International: Erarbeitung des Produktstandards IEC in Kooperation mit UL Arbeitsgruppe NEC (seit 2011) UL 1699B (2013) Revision in Bearbeitung N.V. IEC (Draft 2018) Entwurf in Bearbeitung 5

6 Bestehende Prüfnormen für Lichtbogendetektoren Schwächen der UL 1699B (2013) Lichtbogenzündung Zündung mit undefinierter Menge an Stahlwolle zwischen zwei Kupferelektroden Sehr starkes Rauschen durch Verglühen der Stahlwolle Eigentliches Lichtbogenrauschen u.u. deutlich schwächer Quelle: UL1699B (Rev. 2013) 60ms DC-Strom FFT DC-Strom Prüfung unterscheidet sich in relevantem Zeitraum um Lichtbogenzündung von realem Fehlerfall! 6 Quelle: ABB [1]

7 Bestehende Prüfnormen für Lichtbogendetektoren Schwächen der UL 1699B (2013) PV-Generator Impedanz Prüfaufbau für serielle Lichtbögen berücksichtigt lange PV-Leitungen Einfluss der PV-Generator Impedanz auf das Lichtbogenrauschen wird nicht berücksichtigt Wiederzuschaltung Nach Auslösung muss die Wiederzuschaltung manuell erfolgen Felderfahrung Einige LBD-Hersteller hatten trotz UL- Zertifizierung Probleme mit Fehlauslösungen und nicht erkannten Lichtbögen im Feld [2][3] Quelle: UL1699B (Rev. 2013) 7

8 Weiterentwicklung der Prüfverfahren Lichtbogenzündung Zündung durch Auseinanderziehen zweier Elektroden mit definierten Geschwindigkeiten ( Pull-Apart-Methode ) Reproduzierbar, realitätsnah Elektrodenform: zylindrische Kupferstäbe oder ball & ring Anordnung aus Wolfram Ball & ring stellt geometrische Verhältnisse eines Klemmblocks nach Entscheidung für eine der beiden Elektrodenformen steht noch aus Quelle: Kaylaco Enterprises 8

9 Weiterentwicklung der Prüfverfahren Prüfaufbau Filternetzwerk zur Entkopplung von Prüfling und DC-Quelle Nachbildung der Impedanz eines PV-Moduls, PV-Strings oder parallelen PV-Strings Zusätzliche Fallbeispiele für modulnahe Elektronik und Strangsammler Quelle: E DIN EN VDE :

10 Weiterentwicklung der Prüfverfahren Ab- und Zuschaltung Abschaltung Lichtbögen müssen erkannt und abgeschaltet werden, bevor eine kritische Energiemenge freigesetzt wird T 2,5 s Region C E < 200 J: keine Meldung notwendig E < 750 J und t 2.5 s: Prüfung bestanden Region A Region B E 750 J oder t > 2.5 s: Prüfung nicht bestanden 200 J 750 J E Wiederzuschaltung Bei Einhaltung minimaler Wartezeiten sind nach einer Auslösung mehrere automatische Wiederzuschaltungen möglich 10

11 Zwischenfazit Realitätsnaher Prüfaufbau kann Risiko von nicht erkannten Lichtbögen und Fehlauslösungen im Feld deutlich senken Automatische Wiederzuschaltung ermöglicht sensiblere Detektoren Ausblick Neue Revision der UL 1699B wahrscheinlich noch in diesem Jahr Veröffentlichung der IEC geplant in Q2/

12 LBD-Performance Fraunhofer ISE Prüfung mit Replay-Methode Schritt 1 Aufbau einer Datenbank aus Lichtbogen- und Störsignalen im realen PV-Generator Schritt 2 Abtastung mit 1 MS/s verschiedene Fehlerstellen, PV-Module, Stringkonfigurationen und Wechselrichter Auswahl von 50 Datensätzen Aufprägen des aufgezeichneten Stromsignals auf Prüfling im DC-Kreis Hochfrequente Rauscherzeugung mit Halbleiter Stromteiler stellt Stromsprung nach PV- Generator Filter DC Power Supply Frequency Analyser SSR R STEP Current Drop Electric Arc Generator Waveform generator PID + - Electric Arc Simulator Inverter DC DC AC Inverter DUT AC 12 Bildquellen: TÜV Rheinland (mitte), Sachverständigenbüro Kuchlmayr, München (rechts)

13 LBD-Performance Fraunhofer ISE Ergebnisse Gute Erkennungsquoten sind nach Stand der Technik erreichbar 13 Bei Messungen in 2013 lag die Erfolgsquote noch bei ca. 50 % [2] Fehlauslösungen bei Verwendung verschiedener WR WR-integrierte Detektoren können dieses Problem entschärfen Einige große WR-Hersteller bieten diese an Weiterentwicklung des Prüfstands mit Fronius geplant * davon 10 vorzeitig ausgelöst Auslösung im Fehlerfall Auslösung ohne Fehler Auslösezeit [ms] Erfolgsquote System A 26 von 27 3 von 23 < % System B 23 von 27 3 von % System C 27* von 27 6 von %

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Felix Eger (FKZ: B) 14

15 Quellen [1] S. Macerini, F. Mastronardi, AFCI-UL1699B Arc generator modification proposal, UL1699B working group, 2015 [2] R. Grab, H. Häberlin, L. Borgna, Lichtbögen in PV-Anlagen, 3. Workshop PV- Brandschutz, Köln, April 2014 [3] J. Johnson, K. Armijo, M. Avrutsky, D. Eizips, S. Kondrashov, Arc-Fault Unwanted Tripping Survey with UL 1699B-Listed Products, 42nd IEEE PVSC, New Orleans, LA, Juni

16 Backup Marktlage Lichtbogendetektoren Wechselrichterintegrierte, String-Combinerintegrierte und eigenständige Detektoren sind am Markt erhältlich. Quelle: SMA Solar Technology Quelle: SolarBOS Quellen: Santon (o.), E-T-A (u.) 16

17 Backup Normung: Multistring vs. Multichannel 17

18 Backup Normung: Verteilte Systeme 18

19 Backup Normung: Combiner setup, string level 19

20 Backup Lichtbogentests mit Replay-Methode Spezifikation Geeignet für DC-Systeme bis 1000 V und 24 A Wiedergabe von Rauschsignalen von ca. 5 bis 500 khz Galvanisch getrennte Eingangssignale Optional Arbeitspunktsprünge von bis zu 40 V oder 4 A nachstellbar Waveform generator Galvanic isolation IGBT DUT PV- Generator Voltage drop Current drop PID + - HF noise DC AC Inverter 20